Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Ekologické a technologické aspekty HSC obrábění
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.
Nomenklatura:

Ekologické a technologické aspekty HSC obrábění

Cílem průmyslové výroby je v souladu s výrobními postupy a za pomoci technologických prostředků a práce transformovat výchozí polotovary do finálních výrobků.

Základním prostředkem k hodnocení technologických procesů z hlediska jejich vlivu na životní prostředí jsou faktory, kterými se vyjadřuje působení výroby na prostředí. Jsou stanoveny na základě analýzy procesu jako technologického systému a zpravidla se dělí do čtyř základních skupin.
Technologické faktory - technické, fyzikální a chemické faktory, které slouží k popisu technologického postupu (úroveň výroby, efektivnost a složitost výrobního procesu, zlepšení struktury výroby, úroveň řezných parametrů, vyšší přesnost a přizpůsobivost výroby, spotřeba materiálu a energie, úroveň automatizace, množství škodlivin a odpadů).
Ekonomické faktory - zahrnují podstatné investiční a provozní náklady hlavních a pomocných procesů a další ekonomická a organizační hlediska (produktivita, využitelnost materiálu, výnosy hlavního procesu, použitelnost druhotných surovin, zisk z procesů ochrany životního prostředí).
Ekologické faktory - obsahují vybrané vlivy hodnocených environmentálních technologií (prevence vzniku exhalací a toxických odpadů, podíl využitelných odpadů, emise hluku a jeho vliv na životní prostředí, vliv na flóru a faunu, likvidace odpadů atp.).
Sociální faktory - sociální účinky technologického procesu (personální skladba pracovníků, zvýšení úrovně řídicí činnosti, kultura pracovních podmínek, zvýšení technologické kázně, poškození zdraví pracovníků, kvalifikace a vzdělání).
Současný stav strojírenské výroby je charakterizován neustále rostoucími požadavky na složitost výrobků, tvarovou a rozměrovou přesnost a integritu povrchu, zejména funkčních ploch obráběného dílce, zaváděním nových druhů konstrukčních materiálů, zejména materiálů s nižší měrnou hmotností a vysokou pevností, titanových slitin, intermetalických slitin, speciálních vrstvených hmot, polotovarů vyráběných práškovou metalurgií a metodou stereolitografie.
Základním směrem rozvoje technologie obrábění je hledání a aplikace nových směrů a postupů, směřujících ke zvyšování jakosti výrobků, zkracování výrobních cyklů, jejich mechanizaci, automatizaci a k zavádění a aplikaci vysoce přesných technologií.
Rozvoj průmyslu značně zvýšil a diverzifikoval technologická rizika. Je zřejmé, že průmyslové činnosti jsou neoddělitelné od ekologických dopadů a ekonomického rozvoje. Částečně lze eliminovat vliv technologických faktorů zaváděním HSC obrábění, obrábění bez chlazení a jejich kombinací.

Aplikace HSC obrábění

Jednou z možností, jak realizovat uvedené cíle, je aplikace HSC obrábění, které zahrnuje mimo podstatné zvýšení relativní rychlosti nástroje vzhledem k obrobku i možnost obrábění bez chlazení a obrábění tepelně zpracovaných ocelí a dalších velmi tvrdých materiálů, které bylo možné obrábět pouze broušením. Rychlostní obrábění a především obrábění bez chlazení je třeba posuzovat kromě jeho vztahu k obráběnému materiálu také z hlediska ekologického.
Současné řezné materiály zabezpečují aplikaci HSC obrábění zejména při obrábění oceli povlakovanými slinutými karbidy a cermety, neželezných kovů s nižší tavnou teplotou a nekovových materiálů polykrystalickým diamantem, litiny keramikou, kalených ocelí a litin polykrystalickým kubickým nitridem bóru.
Oblasti HSC obrábění pro různé metody obrábění

Teoretické aspekty HSC obrábění

Rozdíly mezi rychlostním a konvenčním obráběním se výrazně projevují v mechanismu tvorby třísky. Oddělování třísky je velmi složitým procesem, jehož průběh závisí na mnoha činitelích, zejména na fyzikálních vlastnostech obráběného materiálu a jejich závislosti na podmínkách plastické deformace. Obecně platí, že při zvyšující se řezné rychlosti se oblast plastické deformace v zóně tvorby třísky zužuje a ke vzniku třísky dochází plastickým skluzem v jediné rovině, tzv. rovině střihu.
Velikost úhlu roviny střihu F lze získat z podmínky minimálně vynaložené práce.
Cílem řešení je nalezení úhlu Φ, pro který bude síla F, kterou nástroj působí na odřezávanou vrstvu, minimální. Úhel střižné roviny ? závisí především na úhlu řezu da úhlu tření f :
Protože úhel f vyjadřuje tzv. střední součinitel tření, který obsahuje jednak vnitřní tření v materiálu třísky, jednak vnější tření mezi třískou a čelem nástroje, bude úhel fovlivněn všemi řeznými podmínkami, které mají vliv na velikost úhlu f. Hned po fyzikálních vlastnostech obráběného materiálu má největší vliv řezná rychlost vc, a to na deformační rychlost a množství vyvinutého tepla a tím i na teplotu povrchových vrstev třísky. Dále je ovlivněn úhel f mazacím médiem, který snižuje součinitel smykového tření na čele nástroje.
V podmínkách HSC obrábění znamená rostoucí řezná rychlost i vyšší množství práce potřebné k řezání, která se přemění v teplo. Převážná část vzniklého tepla se odvádí třískou, její teplota se blíží tavicí teplotě obráběného materiálu. Při určité řezné rychlosti se náhle změní fyzikální a chemické vlastnosti třísky a transformace obráběného materiálu v třísku probíhá v rovině střihu za vysoké teploty, která způsobí její podstatné změknutí a střední součinitel tření f = tg f se výrazně zmenší. Tím je značně eliminován vliv normálové složky řezné síly FN na čele nástroje, poklesne celkový řezný odpor, a tedy i třecí složka řezné síly Ft , důsledkem toho se zmenší intenzita opotřebení čela nástroje a úhel střižné roviny fse zvětší při značně zmenšeném úhlu tření fpodle předchozí rovnice na hodnotu:
Je-li téměř veškeré vzniklé teplo při obrábění odvedeno třískou, je minimalizován vliv energetického působení na vlastnosti povrchové vrstvy a vznik nežádoucích reziduálních pnutí po obrábění. Tato pnutí, často spojená s fázovými přeměnami, jsou vyvolána plastickou deformací povrchové vrstvy za působení teploty řezání.

Tepelná bilance HSC technologií

Ke vzniku tepla při HSC obrábění dochází transformací vynaložené práce. V teplo se přeměňuje veškerá práce vynaložená na řezání s výjimkou práce potřebné na pružné deformace a práce spotřebované na deformaci mřížky kovu a vytvoření nových povrchů. Pro HSC obrábění je možné předpokládat, že cca 98 % práce řezání se přemění v teplo.
Po matematických úpravách lze získat vztah, který vyjadřuje teplotu odvedené třísky:
(6*Pc*q*qt)/(Gt* cs)
kde Pc ... je pracovní výkon [kW];
q........ je podíl přeměněné práce v teplo (cca 98%) [%];
qt............. je podíl tepla přecházejícího do třísky [%];
Gt........... hmotnost třísek [kg.min-1];
cs............ měrná tepelná kapacita [J.kg-1.K-1].

Náhrada broušení HSC obráběním

Náhrada broušení nástrojem s definovanou geometrií břitu, zejména frézováním, je umožněna aplikací supertvrdých řezných materiálů, a to především polykrystalického kubického nitridu bóru. Tento řezný materiál si udržuje svou stabilní tvrdost až do 2000 °C, má výbornou odolnost proti teplotním šokům a vysokou odolnost proti mechanickému opotřebení. Uvedené vlastnosti způsobují, že si udržuje výrazně vyšší tvrdost oproti obráběnému materiálu při dané teplotě řezání a proces obrábění může probíhat efektivně.
Jeho další předností je vysoká řezivost, dovolující řeznou rychlost např. při frézování kalené oceli a litiny 200 - 400 m.min-1 a šedé litiny kolem 2000 m.min-1 při posuvech 1000 - 2000 mm/min. Při frézování kalených vodicích ploch obráběcích strojů se dosahuje rovinnosti 0,01/1000 mm a drsnosti povrchu Ra = 0,6 - 0,8 (m. Vyšší řezivost znamená i vyšší trvanlivost podle kritéria rozměrové a tvarové přesnosti a drsnosti obráběného povrchu. Tato skutečnost je zvláště významná u CNC strojů, kde náklady na jednu hodinu práce stroje jsou vysoké. Nevýhodou aplikace PKNB při frézování jsou vyšší požadavky na tuhost a dynamickou přesnost frézovacích hlav. Požadavek na axiální a radiální házení je podle velikosti frézovací hlavy 2 - 5 (m.
Z ekonomického hlediska je frézování kubickým nitridem bóru velice efektivní a lze jim nahradit v řadě případů operace broušení. Lze přitom očekávat i značné energetické úspory, protože spotřeba výkonu na odebrání stejného množství materiálu broušením je průměrně čtyřikrát větší než frézováním.

Obrábění bez chlazení

HSC obrábění je možné a v některých případech žádoucí kombinovat s obráběním bez chlazení. Při tomto procesu musí být splněna podmínka, že čas obrábění, trvanlivost nástroje a jakost obrobené plochy budou minimálně stejné jako při chlazení. To lze snadno splnit při obrábění šedé litiny. Tento materiál tvoří při obrábění krátkou třísku, vyvíjí se poměrně malé množství tepla a řezné síly jsou v důsledku přítomnosti grafitu jako mazacího média nízké.
Při obrábění bez chlazení je minimalizována nebo zcela vyloučena aplikace řezných kapalin. Je nutné ale zdůraznit, že ne všechny metody obrábění (např. vrtání) a také ne všechny obráběné materiály (např. hořčík) jsou k obrábění za sucha vhodné. Obrábění bez chlazení má i efekty ekonomické. Podle statistických údajů se do ceny výrobku promítá cena řezné kapaliny 7 - 17 %, zatímco cena nástrojů představuje pouze 2 - 4 %. Úroveň těchto nákladů závisí na výrobních operacích, na výrobku a jeho jakosti, na typech výrobních strojů a způsobu aplikace řezných kapalin apod.

Přednosti HSC obrábění

Hlavní výhody aplikace HSC obrábění:
  • dosažení vysoké kvality obráběného povrchu, zpravidla bez nebezpečí vzniku nežádoucích reziduálních pnutí na obrobeném povrchu;
  • zvýšení objemu odebraného materiálu při hrubování [cm3.min-1], resp. při dokončování zvětšení obrobené plochy [cm2.min-1] (zvýšení řezné rychlosti, zvýšení posuvové rychlosti);
  • vlivem menšího pěchování třísky se sníží řezné síly cca o 1/3;
  • z důvodů vysoké řezné rychlosti je vzniklé teplo převážně odváděno třískami a výrazně se sníží tepelné zatížení nástroje a obrobku;
  • zpravidla se sníží i pravděpodobnost vzniku chvění, protože vysoká budicí frekvence otáčení vřetena je mimo oblast samobuzeného kmitání;
  • je možné výhodně aplikovat obrábění bez chlazení, které kromě ekonomických výhod (odpadají náklady na chladicí kapaliny a jejich likvidaci) má i výrazné ekologické dopady.
  • Kromě uvedených výhod je třeba zvažovat i vybavení provozů pro obrábění vysokými řeznými rychlostmi. Toto vybavení mohou tvořit obráběcí stroje jak konvenční, tak i číslicově řízené s otáčkami frézovacích vřeten 10 000 - 80 000 min-1, otáčkami vřeten soustruhu 5000 - 15 000 min-1, s výkony od 15 kW až po 60 kW, s maximální rychlostí pracovních posuvů 10 - 40 m.min-1, rychloposuvů 90 - 120 m.min-1 a zrychlením až 2 g.
    Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc.
    Doc. Ing. Jaroslav Prokop, CSc.
    Ing. Alena Kocmanová
    Vysoké učení technické v Brně

    Další články

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: